تولید پوشش‌های نانوساختار با ضخامت کنترل شده

محققان مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه تهران با ترکیب روش سل-ژل و الکتروفورتیک موفق به ایجاد یک پوشش نانوساختار فشرده از تیتانیا شدند که ضخامت آن با استفاده از پارامترهای مربوط به سل تیتانیا قابل کنترل است.

محققان مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه تهران با ترکیب روش سل-ژل و الکتروفورتیک موفق به ایجاد یک پوشش نانوساختار فشرده از تیتانیا شدند که ضخامت آن با استفاده از پارامترهای مربوط به سل تیتانیا قابل کنترل است. با استفاده از این روش می‌توان پوشش‌های تیتانیای نانوساختار خصوصا سرامیک‌های نیمه رسانای مورد نیاز در صنایع مختلف الکترونیکی و اپتیکی خصوصاً فوتوولتائیکی را تولید نمود.

روش سل – ژل یکی از روش‌های معمول برای سنتز پوشش نانوذرات اکسید تیتانیم محسوب می‌شود. با این حال، ضخامت کم پوشش تولید شده از محدودیت عمده استفاده از این روش است. با توجه به نرخ بالای رسوب توسط روش رسوب الکتروفورتیک (EPD) در تولید پوشش‌های اکسیدی ، ترکیب روش سل – ژل و فرآیند EPD برای تولید فیلم‌های ضخیم‌تر را می‌توان راهکاری برای رفع این محدودیت دانست. از این رو هدف پژوهشگران در این طرح بررسی نرخ لایه نشانی در روش سل-ژل الکتروفورتیک با استفاده از آنالیز نمودار جریان لایه نشانی بر حسب زمان به منظور ایجاد پوشش نانوساختار تیتانیا بر روی زیرلایه هادی شفاف جهت استفاده در کاربردهای اپتوالکترونیکی بود. آن‌ها همچنین تلاش کردند تا با استفاده از روابط حاکم بر فرآیند لایه نشانی الکتروفورتیک مدلی ریاضی جهت بررسی تاثیر پارامترهای مختلف سل تیتانیا بر روی نرخ لایه نشانی تعیین نموده و به مقایسه نتایج آن با نتایج حاصل از آزمایش‌های صورت گرفته بپردازند.

برای این منظور ابتدا یک سل شفاف از محلول آلکوکسید تیتانیا تهیه شد و پارامترهایی همچون غلظت آلکوکسید تیتانیا، آب و کاتالیست اسیدی جهت بررسی اثر هر یک از آن‌ها بر روی نرخ لایه نشانی از سل تیتانیا در نظر گرفته شد. در ادامه فرآیند لایه نشانی الکتروفورتیک در ولتاژ 5 ولت بر روی الکترود هادی شفاف FTO انجام پذیرفت. در این مرحله با استفاده از یک مولتی‌متر متصل به کامپیوتر مقدار جریان فرآیند بر حسب زمان ثبت شد. بعد از فرآیند لایه نشانی، ضخامت لایه‌های سنتز شده بعد از عملیات کلسیناسیون با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) اندازه‌گیری شده و در نهایت با نتایج حاصل از مدل‌سازی صورت گرفته مقایسه شد.
 

filereader.php?p1=main_52f5964c9be147ed0
شماتیکی ازفرایندلایه نشانی سل ژل-الکتروفورتیک


به گفته مهندس صابر قنادی، کارشناس ارشد مهندسی مواد از دانشگاه تهران، نتایج به دست آمده از این پژوهش نشان داد که نرخ واکنش هیدرولیز در سل تیتانیا تاثیر بسیار زیادی بر روی نرخ لایه نشانی در فرآیند سل-ژل الکتروفورتیک دارد. افزایش مقدار آب و غلظت پیش ماده آلکوکسیدی و همچنین کاهش مقدار کاتالیست اسیدی سبب افزایش نرخ واکنش هیدرولیز و به دنبال آن افزایش نرخ لایه نشانی در این فرآیند شد.

قنادی در ادامه افزود: « استفاده از مدل‌های ریاضی مختلف در فرآیندهای لایه نشانی، خصوصا فرآیندهایی که با واکنش‌های مختلف شیمیایی سر و کار دارند، می‌تواند نقش بسیار زیادی در توسعه و تجاری سازی آن‌ها داشته باشد. مدلسازی انجام شده بر روی روش لایه نشانی سل-ژل الکتروفورتیک انجام شده در این تحقیق نشان داد که این روش با کنترل مناسب در ضخامت و شکل لایه تشکیل شده، می‌تواند راهکار مناسبی برای تولید پوشش‌های تیتانیای نانوساختار با استفاده از سل آن باشد.»

با توجه به نتایج به دست آمده از این پژوهش، طیف گسترده‌ای از مواد نانوساختار، خصوصا سرامیک‌های نیمه رسانا می‌توانند با استفاده از این روش و با ضخامتی کنترل شده تولید شوند.

نتایج این پژوهش که حاصل همکاری مهندس صابر قنادی، دکتر حسین عبدی زاده (عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران) و دکتر محمد رضا گل و بستان است در مجله Ceramics Intrenational (جلد 40، ماه آگوست، سال 2014، صفحات 2121 تا 2126) به چاپ رسیده است.